CN108661725B - 一种供热抽汽机组自整调节系统与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种供热抽汽机组自整调节系统与控制方法。基于供热抽汽机组运行特性绘制热工况图，计算主汽及供热调节机构蒸汽流量，并根据调门流量特性曲线计算所需调门开度，辅以以电功率和抽口压力为被控量的负反馈调节机制，使供热机组输出的热、电负荷满足热用户及电网需求。本发明改善了传统控制策略对被控机组运行特性认识不足，调节过程稳定性、准确性不佳，使油动机频繁动作，磨损漏油的问题，能够有效增强供热抽汽机组自整调节的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及供热抽汽机组自整调节系统领域，特别是涉及一种供热抽汽机组自整调节系统与控制方法。
背景技术
随着国民经济发展，工业生产用汽和城镇居民采暖需求不断上升，热电联产规模扩大，大容量、高参数、双级供热抽汽机组大量投运。但受制于热、电负荷间复杂的耦合关系，目前行业内对供热抽汽机组的自动控制策略尚不完善。
通过控制主汽及供热蒸汽调门机构的开度，使机组输出的热、电负荷能够独立调节、互不影响，从而满足电网和热用户的需求，这一过程即供热机组的“自整调节”，在自动控制领域也称为“热电解耦”。长期以来，行业内缺乏完善的自动控制策略，而供热机组又不断向大容量、高参数、中间再热、双级供热抽汽等更为复杂的结构形式发展，因此部分热电厂的调节过程主要依赖于操作人员的经验，在保证热功率稳定的前提下缓慢改变各个阀门的开度来实现对电功率的调节，这种控制方式调节时间长，热电过程的调整缓慢并且不准确，难以达到电网要求的一次调频考核标准，无法满足发电竞价上网等新形势下的控制要求。
供热机组自整调节技术的发展历史，总体来说有前馈、反馈两种思路。其中，前馈补偿是指通过优化调门机构的结构参数设计使调节系统和研究对象的传递函数矩阵串联后得到对角矩阵，从而消除热电耦合关联，典型应用是采用综合滑阀的机械液压调节系统；而反馈补偿则利用PI调节器中的比例积分环节，实现对电功率或抽汽压力的有差调节或无差调节，其多用于数字电液调节系统中。经过长期发展，目前供热抽汽机组的自整调节主要采用前馈反馈相结合的控制策略。通过优化调门机构设计的对角矩阵解耦算法完成热电解耦前馈调节，通过在高压调门、低压调门控制回路中串联PI调节器来完成反馈调节。这种控制方式对非再热单抽供热机组这一类结构简单的供热机组适用性良好，但由于调节过程缺乏能体现具体被控机组热力特性及调门特性的顶层设计，因此面对新形势下结构复杂的供热机组时，控制效果不佳。
鉴于热电联产不断发展、供热机组结构形式日益复杂以及当前行业内自整调节策略适用性不足的现状，设计出能体现供热机组热力特性、有效实现热电解耦的控制策略，对热电厂的生存发展具有重要意义。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种供热抽汽机组自整调节系统与控制方法，改善了传统控制策略对被控机组运行特性认识不足，调节过程稳定性、准确性不佳，使油动机频繁动作，磨损漏油的问题，能够有效增强供热抽汽机组自整调节的可靠性，为达此目的，本发明提供一种供热抽汽机组自整调节系统，所述自整调节系统包括汽轮发电机组、主蒸汽调门机构、供热蒸汽调门机构、辅助节流元件、压力变送器、流量变送器、PI调节器、热工况图计算程序和调门开度计算程序，其特征在于；所述供热抽汽机组与控制系统的连接方式为：供热抽汽机组通过流量变送器测量当前供热蒸汽管道流量，通过压力变送器测量供热蒸汽抽汽口压力，并将供热蒸汽管道流量值、供热蒸汽抽汽口压力值、机组当前电功率值以及来自电网的负荷指令值输入控制系统，控制系统经过内部逻辑运算，计算出主蒸汽调门机构和供热蒸汽调门机构所需的调门开度值，并转化为油动机行程指令送入供热抽汽机组调门执行机构，所述主蒸汽调门机构用于调节主汽流量，其配汽方式为调节级喷嘴配汽方式或主汽调门节流配汽方式；所述供热蒸汽调门机构用于维持供热蒸汽抽汽口压力，其配汽方式为调节级喷嘴配汽方式或旋转隔板节流配汽方式；所述辅助节流元件用于当供热调门全开，而供热蒸汽压力仍高于目标值时进行节流降压，维持蒸汽压力在目标值附近；所述压力变送器用于测量供热蒸汽抽汽口压力；所述流量变送器用于测量当前供热蒸汽管道流量；所述PI调节器用于建立以电功率和供热蒸汽抽汽口压力为被控量的负反馈调节机制；所述热工况图计算程序用于根据供热蒸汽管道流量和电功率计算此时所需的主汽流量；所述调门开度计算程序用于根据调门机构的调门前压力和流量计算所需调门开度。
本发明系统的进一步改进，所述发电机组包括锅炉、汽轮机、发电机、凝汽器、回热加热器、除氧器、给水泵、凝水泵及相关辅助设备。
本发明系统的进一步改进，所述汽轮发电机组的机组热力特性以热工况图形式体现基于所述供热抽汽机组热工况图反映的机组热力特性，编制以电功率、供热蒸汽管道流量为输入量，以主汽流量为输出量的热工况图计算程序，热工况图一般由汽轮机制造厂给出，用于反映主汽流量、供热量和电功率三者之间的关系。考虑到实际机组运行过程中，存在调门机构磨损、通流级组效率变化、机组改造等情况，制造厂提供的热工况图并不能准确反映机组当前的热力特性。因此，建议热电厂在有条件的情况下，选取适当的热力试验工况点，对热工况图进行适度修正。
本发明系统的进一步改进，根据机组主蒸汽调门机构和供热蒸汽调门机构的调门流量特性曲线，编制以调门前压力、调门流量为输入量，以调门开度为输出量的调门开度计算程序。
本发明系统的进一步改进，所述自整调节系统产生的系统误差和偶然误差，所述PI调节器中以电功率和供热蒸汽抽汽口压力为被控量的负反馈调节机制的负反馈控制系统计算出的功率偏差值和供热蒸汽抽汽口压力偏差值，经PI调节器，得到对机组供热蒸汽管道流量和电功率的修正增量，将修正后的供热蒸汽管道流量值和电功率值作为输入值，送入所述热工况图计算程序，计算所需主汽流量，进一步计算所需调门开度，利用PI调节器的比例积分功能，实现对电功率和供热抽口压力的无差调节。
本发明系统的进一步改进，所述PI调节器中以电功率和供热蒸汽抽汽口压力为被控量的负反馈调节机制的负反馈调节系统带有调节死区功能，当供热蒸汽抽汽口压力和电功率实时值与目标值的偏差在允许范围以内时，偏差输出为0，此时调门机构不再动作，有利于减小油动机的磨损。
本发明系统的进一步改进，所述辅助节流元件用于当供热调门已全开，供热蒸汽压力仍高于目标值时进行节流降压，维持供热蒸汽压力在设定值附近，机组外部节流意味着高品质蒸汽能量的损失，因此在供热机组正常调节范围内，辅助节流元件不投入运行。
本发明一项供热抽汽机组自整调节系统的控制方法，具体步骤如下：
（1）通过压力变送器、流量变送器测量当前供热蒸汽抽汽口压力和供热蒸汽管道流量，将实时供热蒸汽抽汽口压力值及机组电功率值送入控制系统；
（2）计算当前供热蒸汽抽汽口压力与目标值的偏差，由PI调节器计算出对当前供热蒸汽管道流量的修正值，与当前供热蒸汽管道流量相加得到经修正后的供热蒸汽管道流量值；
（3）计算当前电功率与电网负荷指令值的偏差，由PI调节器计算出对当前电功率的修正量，与当前电功率N相加得到经修正后的电功率值；
（4）将步骤2-3中得到的修正后的供热蒸汽管道流量值，电功率值输入热工况图计算程序，计算此时所需的主汽流量，并根据机组所需主汽流量和供热蒸汽管道流量，得到主汽调门和供热蒸汽调门机构的蒸汽流量；
（5）以主汽调门前压力和得到主汽调门和供热蒸汽调门机构的蒸汽流量为输入量，经调门开度计算程序计算主汽调门所需开度；
（6）以供热调门前压力和调门流量为输入量，经调门开度计算程序计算供热蒸汽调门机构所需开度；
（7）将步骤5-6中得到的机组主汽调门机构和供热蒸汽调门机构开度值转换为油动机行程指令；
（8）重复步骤1-7，直到供热蒸汽抽汽口压力和电功率实时值与目标值偏差在允许范围以内，调节过程结束。
本发明一种供热抽汽机组自整调节系统与控制方法，有益效果：
（1）本发明能够提高供热机组自整调节的可靠性。由于所述控制系统中，调门开度算法建立在热工况图和调门流量特性曲线的基础上，热工况图有效反映了机组热力系统特性，调门流量曲线有效反映了调门特性。因此调节思路及调节方向体现了对机组运行特性的整体把握，较之传统调节策略，更具实际意义，也更为可靠。
（2）本发明缩短了供热机组自整调节的时间。所述控制策略中，由热工况图及调门特性曲线计算调门开度属于前馈调节。供热压力或电功率目标值的变化后，控制系统对主汽及供热调门机构的调节指令同时触发，而非“主汽门调流量、供热调门调压力”这种一次调节+热电耦合影响后二次调节的调节模式，且压力、功率偏差所产生的调节增量并非直接改变调门开度，而是通过修正供热量及主汽流量的方式计算下一时刻的调门机构开度，因此能减小调节过程的震荡，缩短调节时间。
（3）本发明提高了供热机组自整调节的准确性。所述控制系统中，由PI调节器控制供热抽口压力和电功率属于反馈调节，且辅助节流元件能够保证当供热调门全开，供热压力仍超过目标值时进行节流降压，因此控制系统能够保证被控量的无差调节。
（4）本发明中所述抽汽供热机组自整调节控制系统结构清晰，对热电厂而言易于实施，没有复杂的计算和苛刻的使用条件。所需要的热工况图和调门结构曲线，制造厂均有提供，只需要进行适当的工况试验点修正即可。
附图说明
图1为本发明的单抽供热机组热工况图；
图2为本发明的双抽供热机组热工况图；
图3为本发明的调节级喷嘴配汽方式控制供热抽口压力原理图；
图4为本发明的中压调门节流配汽方式控制供热抽口压力原理图；
图5为本发明的双抽供热机组自整调节控制系统及热力系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种供热抽汽机组自整调节系统与控制方法，改善了传统控制策略对被控机组运行特性认识不足，调节过程稳定性、准确性不佳，使油动机频繁动作，磨损漏油的问题，能够有效增强供热抽汽机组自整调节的可靠性。
以某双级抽汽凝汽式供热机组为例，阐述本发明的抽汽供热机组自整调节的控系统与运行方法，其热力系统及控制系统原理图如附图5所示。
本实施中汽轮机组热力系统包括锅炉100、汽轮机高中压缸200、低压缸210、发电机300、凝汽器400、高压回热加热器500、510、除氧器520、低压回热加热器530、540、550、给水泵600、凝水泵610，高压供热蒸汽辅助节流元件700,低压供热蒸汽辅助节流元件710。机组采用喷嘴配汽方式，主蒸汽调门机构为调节级220，高压供热调门机构为调节级230、低压供热调门机构为调节级240。
机组控制系统包括主汽压力变送器800、高压供热抽口压力变送器810、低压供热抽口压力变送器820、高压供热流量变送器830、低压供热量变送器840、高压供热压力偏差死区控制器900、低压供热压力偏差死区控制器910、电功率偏差死区控制器920、高压供热压力PI调节器930、低压供热压力控制PI调节器940、电功率PI调节器950、热工况图计算程序960、调门开度计算程序970。
所述主汽压力变送器800、高压供热抽口压力变送器810、低压供热抽口压力变送器820，分别测量主调节级220、高压供热调节级230、低压供热调节级240的级前压力。所得测量信号用于计算高低压供热抽口压力当前值与设计值的偏差，由高压供热压力PI调节器930、低压供热压力控制PI调节器940进行负反馈调节。
所述高压供热流量变送器830、低压供热流量变送器840，分别测量高低压供热管道内蒸汽量，送入调门开度计算程序970，作为调节级开度计算的输入值。
所述热工况图计算程序960，基于实际供热机组热工况图编制。单抽供热机组热工况图如附图1所示，双抽供热供热机组热工况图如附图2所示。热工况图反映了主汽流量、电功率和高压供热量、低压供热量四者之间的关系，同时应包含以下边界条件：最大供热量边界线，最大电功率边界线，最大主汽流量边界线，最小排汽量边界线。基于热工况图，可以根据电功率和高低压供热蒸汽量，得到主蒸汽流量。
热工况图通常由汽轮机制造厂提供，考虑到实际机组长期运行中存在调门机构磨损、通流级组效率变化、机组改造等情况，制造厂提供的热工况图并不能准确反映机组当前的热力特性。因此，建议热电厂在有条件的情况下，选取适当的热力试验工况点，对热工况图进行适度修正。
供热机组调门机构按配汽方式可分为调节级喷嘴配汽方式和全周进汽节流配汽方式，分别如附图3、附图4所示。辅以外部节流元件，共同完成对主汽流量及供热压力的调节。所述外部节流元件的作用为：当供热抽口调门已全开，供热蒸汽压力仍超过设计压力时，通过外部节流元件进行节流降压，维持供热蒸汽压力在目标值附近。由于机组外部节流意味着部分高品质蒸汽能量的浪费，不符合能量梯级利用的原则，因此在供热机组正常调节范围内，辅助节流元件不投入使用。
所述调门开度计算程序970，基于调门（调节级）流量特性曲线编制。工程计算中，通常认为对于结构一定的调门，通流量由调门开度、级前压力决定。因此，以热工况图计算程序960得到的调节级流量、压力变送器800、810、820得到的级前压力为输入量，可以计算出主调节级、高低压供热抽口调节级所需的调门开度指令，送入调门机构。
由于以上过程中存在系统误差和偶然误差，会导致由电功率和供热量计算出的调门开度指令值与实际机组输出相应热、电负荷所需的调门开度值存在偏差。偏差的大小与机组运行方式、热工况图准确性、调门流量特性曲线准确性等诸多因素有关，因此需要加以修正。控制系统引入负反馈调节机制，以供热抽口压力和机组发电功率为被控量，通过高压供热压力PI调节器930、低压供热压力控制PI调节器940、电网负荷指令PI调节器950的积分功能，实现对功率和供热抽口压力的无差调节。根据负反馈控制系统计算出的功率偏差和供热抽口压力偏差值，通过PI（比例积分）调节器，对机组供热量和电功率进行修正，将修正后的供热量和电功率值作为输入值，送入所述热工况图计算程序960，计算所需主汽流量。
同时，该负反馈调节系统带有调节死区功能，当供热抽口压力或机组发电功率实际值与目标值的偏差在允许范围以内时，相应高压供热压力偏差死区控制器900、低压供热压力偏差死区控制器910、电功率偏差死区控制器920、偏差输出为0，此时调门机构不再动作，有利于减小油动机的磨损。
本实施例中的抽汽供热机组自整调节控制系统，其热力系统和控制系统原理图如附图5所示。具体如下：
（1）通过主汽压力变送器800、高压供热抽口压力变送器810、低压供热抽口压力变送器820、高压供热流量变送器830、低压供热流量变送器840测量当前主汽压力、高低压供热抽口压力和供热蒸汽流量，并将实时供热抽口压力值及机组电功率值送入控制系统。
（2）计算当前供热抽口压力与目标值的偏差，由高压供热抽口压力PI调节器900、低压供热抽口压力PI调节器940计算对当前供热量的修正值，与当前供热流量相加得到经修正后的供热流量值。
（3）计算当前电功率与电网负荷指令值的偏差，由电功率PI调节器950计算出对当前电功率目标值的修正量，与当前电功率N相加得到经修正后的电功率值。
（4）将步骤（2）、（3）中得到的修正后的供热量，电功率输入热工况图计算程序960，计算此时所需的主汽流量，并根据机组所需主汽流量，供热量，得到主汽调门和供热抽口调门机构的蒸汽流量。
（5）以主汽调门前压力和调门流量为输入量，经调门开度计算程序970计算主汽调门所需开度。
（6）以供热调门前压力设计值和调门流量为输入量，经调门开度计算程序970计算供热调门机构所需开度。
（7）将步骤（5）、（6）中得到的机组主汽调门和供热抽口调门机构开度值转换为油动机行程指令。
（8）重复步骤（1）~（7），直到供热抽口压力和电功率实时值与目标值偏差在允许范围以内，调节过程结束。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种供热抽汽机组自整调节系统，所述自整调节系统包括汽轮发电机组、主蒸汽调门机构、供热蒸汽调门机构、辅助节流元件、压力变送器、流量变送器、PI调节器、热工况图计算程序和调门开度计算程序，其特征在于；供热抽汽机组与所述供热抽汽机组自整调节系统的控制系统的连接方式为：供热抽汽机组通过流量变送器测量当前供热蒸汽管道流量，通过压力变送器测量供热蒸汽抽汽口压力，并将供热蒸汽管道流量值、供热蒸汽抽汽口压力值、机组当前电功率值以及来自电网的负荷指令值输入控制系统，控制系统经过内部逻辑运算，计算出主蒸汽调门机构和供热蒸汽调门机构所需的调门开度，并转化为油动机行程指令送入供热抽汽机组调门执行机构，所述主蒸汽调门机构用于调节主汽流量，其配汽方式为调节级喷嘴配汽方式或主蒸汽调门机构的调门节流配汽方式；所述供热蒸汽调门机构用于维持供热蒸汽抽汽口压力，其配汽方式为调节级喷嘴配汽方式或旋转隔板节流配汽方式；所述辅助节流元件用于当供热调门机构的调门全开，而供热蒸汽压力仍高于目标值时进行节流降压，维持蒸汽压力在目标值附近；所述压力变送器用于测量供热蒸汽抽汽口压力；所述流量变送器用于测量当前供热蒸汽管道流量；所述PI调节器用于建立以电功率和供热蒸汽抽汽口压力为被控量的负反馈调节机制；所述热工况图计算程序用于根据供热蒸汽管道流量和电功率计算此时所需的主汽流量；所述调门开度计算程序用于根据调门机构的调门前压力和流量计算所需调门开度。
2.根据权利要求1所述的一种供热抽汽机组自整调节系统，其特征在于：所述汽轮发电机组包括锅炉、汽轮机、发电机、凝汽器、回热加热器、除氧器、给水泵、凝水泵及相关辅助设备。
3.根据权利要求1所述的一种供热抽汽机组自整调节系统，其特征在于：所述汽轮发电机组以热工况图形式体现基于所述供热抽汽机组热工况图反映的机组热力特性，编制以电功率、供热蒸汽管道流量为输入量，以主汽流量为输出量的热工况图计算程序。
4.根据权利要求1所述的一种供热抽汽机组自整调节系统，其特征在于：根据机组主蒸汽调门机构和供热蒸汽调门机构的调门流量特性曲线，编制以调门前压力、调门流量为输入量，以调门开度为输出量的调门开度计算程序。
5.根据权利要求1所述的一种供热抽汽机组自整调节系统，其特征在于：所述自整调节系统产生系统误差和偶然误差，所述PI调节器中以电功率和供热蒸汽抽汽口压力为被控量的负反馈调节机制的负反馈调节系统计算出的功率偏差值和供热蒸汽抽汽口压力偏差值，经PI调节器，得到对机组供热蒸汽管道流量和电功率的修正增量，将修正后的供热蒸汽管道流量值和电功率值作为输入值，送入所述热工况图计算程序，计算所需主汽流量，进一步计算所需的调门开度。
6.根据权利要求1所述的一种供热抽汽机组自整调节系统，其特征在于：所述PI调节器中以电功率和供热蒸汽抽汽口压力为被控量的负反馈调节机制的负反馈调节系统带有调节死区功能，当供热蒸汽抽汽口压力和电功率实时值与目标值的偏差在允许范围以内时，偏差输出为0。
7.使用权利要求1-6任意一项供热抽汽机组自整调节系统的控制方法，具体步骤如下，其特征在于：
（1）通过压力变送器、流量变送器测量当前供热蒸汽抽汽口压力和供热蒸汽管道流量，将实时供热蒸汽抽汽口压力值及机组电功率值送入控制系统；
（2）计算当前供热蒸汽抽汽口压力与目标值的偏差，由PI调节器计算出对当前供热蒸汽管道流量的修正值，与当前供热蒸汽管道流量相加得到经修正后的供热蒸汽管道流量值；
（3）计算当前电功率与电网的负荷指令值的偏差，由PI调节器计算出对当前电功率的修正量，与当前电功率N相加得到经修正后的电功率值；
（4）将步骤（2）-（3）中得到的修正后的供热蒸汽管道流量值、电功率值输入热工况图计算程序，计算此时所需的主汽流量，并根据机组所需的主汽流量和修正后的供热蒸汽管道流量值，得到主蒸汽调门机构的调门和供热蒸汽调门机构的蒸汽流量；
（5）以主蒸汽调门机构的调门前压力和得到主蒸汽调门机构的调门和供热蒸汽调门机构的蒸汽流量为输入量，经调门开度计算程序计算主蒸汽调门机构的所需的调门开度；
（6）以供热调门机构的调门前压力和调门流量为输入量，经调门开度计算程序计算供热蒸汽调门机构所需的调门开度；
（7）将步骤（5）-（6）中得到的机组主蒸汽调门机构和供热蒸汽调门机构所需的调门开度转换为油动机行程指令；
（8）重复步骤（1）-（7），直到供热蒸汽抽汽口压力和电功率实时值与目标值偏差在允许范围以内，调节过程结束。
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